「シミュレーションが切り開く新しい生物学 －夢と発想の展開へ－」「次世代生命体統合シミュレーションシンポジウム2007」
主催：独立行政法人理化学研究所
日時：2007年12月25日
会場：MY PLAZAホール
郷 通子（お茶の水女子大学）

２１世紀の生命科学

シミュレーションによる生命機能の解明へ
生命科学における20世紀最大の成果は遺伝子DNAの発見
この発見によって、生命の起源、進化、細胞・個体の機能、疾病の機構など、生命の基本的機能・機構の背後に遺伝子とタンパク質という明瞭な物質の働きがあることが明らかになり、今日の生命科学の隆盛がある。
ゲノムとコードされるタンパク質の正体がわかりつつあるが、必要な分子や細胞がどのタイミングで、どのように相互作用するのかが未知である。
生命科学の現在の達成点を位置づけ、先のゴールに近づくために、計算機シミュレーションが何をもたらすのか。

ヒトゲノムプロジェクト"The ability to take global views of genomes could greatly acceleratebiomedical research, by allowing researchers to attack problems in acomprehensive and unbiased fashion." (Lander et al., 2001)

ヒト線虫

遺伝研線虫写真館のホームページより

細胞の数
遺伝子の数

約1,000個
約20,000個

遺伝子
(DNA)

約60兆個
20,000~30,000個

転写産物?

(RNA)

タンパク質?

( 何種類？）

分断された遺伝子がタンパク質に翻訳される
エクソン

遺伝子

GT ‥AG

イントロン

転写ｍＲＮＡ
スプライシング
成熟 ｍＲＮＡ
翻訳
タンパク質

折れたたみ
働く用意のできた
タンパク質（塩基配列からアミノ酸へ）イントロンの位置からモジュールの発見
Go, M. Ｎａｔｕｒｅ （１９８１）

距離地図

ヒトヘモグロビンβ鎖

予測した位置にイントロンが発見された（ダイズへモグロビンの遺伝子）

モジュールとは一次構造上連続でタンパク質のコンパクトな部分構造(立体構造の単位)。平均１３残基からなる。
同定方法：
430

Centripetal ProfileFi =∑r / (2k + 1)
2iji − k ≤ j ≤i + k434 Cro Protein
M1M2M3M4M5 M6380330280

i : 残基番号
rij : i番目のα炭素とj番目のα炭素の空間距離k :計算する窓枠 (k = 15, 20, 25, 30, 35, 4045)

Go & Nosaka (1987)

230
180

極小値

極小値

極小値

極小値

極小値

13080
20

タンパク質の立体構造データさえあれば同定できる構造

4060
Yura, et al. (1999)

キシラナーゼのモジュール構造一次構造上連続かつコンパクトな部分構造。
タンパク質全体をあますところなく分断。
(Sato, et al.

キシラナーゼにおけるモジュール境界とイントロンの対応

モジュール境界に近い ２４個モジュール境界から遠い ６個

この分布が偶然起こる確率 p < 0.00072(Sato, et al. 1999)

FXYN (S. olivaceoviridis E-86) と Cex (C. fimi)とのモジュール交換によって、酵素活性変換ができた（Kaneko, etal (2000))。

同じモジュールがいろいろなタンパク質に分布している（module shuffling）
モジュールのカタログ

塩基認識

リン酸結合

リン酸結合

ヘム結合

Mg結合

Ca結合

Ca結合

塩基認識

モジュールは３役をこなす
構造、機能、進化のユニット

リン酸結合
リン酸結合

ヘム結合

Ca結合

タンパク質A

タンパク質B

タンパク質Cタンパク質D

Evolution of protein and gene (module and exon)
exon
intronmodulegene

exon (module)
fusion amd shufflingproteinbirth of ancestral
gene

intron shift

intron loss

モジュールのシャッフリングによるタンパク質の発現

Diplonema papilaltum (原生動物)のミトコンドリアcoxIの遺伝子は、断片化（gene module）されて、異なる染色体にコードされている。
ばらばらに転写されたmRNAが未知の機構で融合し、coxIのmRNAになる。
現存のモジュールシャッフリングか？

moduleとgene moduleの対応関係
gene module構造
module構造

gene module 7とmodule M29は１対１対応する

gene module 7module M29

選択的スプライシング (Alternative Splicing)(1)exonintron

(2)

Full
(1)
(2)
(3)
(1)+(3)…
…

(3)

選択的スプライシング• タンパク質の多様性に寄与• タンパク質と他の分子間の相互作用を変化させる
Kei Yura, Masafumi Shionyu, Kei Hagino, Atsushi Hijikata,
Yoshinori Hirashima, Taku Nakahara, Tatsuya Eguchi, Kazuki
Shinoda, Akihiro Yamaguchi, Ken-ichi Takahashi, Takeshi Ito,Tadashi Imanishi, Takashi Gojobori, Mitiko Go, Alternativesplicing in human transcriptome: Functional and structural
influence on proteins. Gene 380, No.2, 63–71, 2006.

展開中
ヒトのトランスクリプトームには、選択的スプライシング（AS）による数多くのバリアントが存在する。それらバリアントの果たす役割を明らかとするために、現在増大しつつある立体構造情報や蛋白質複合体情報を利用して、ASによるバリアントの産生が招く蛋白質相互作用の変化を推定するアルゴリズムを開発し、遺伝子発現ネットワークや代謝ネットワークの制御のメカニズムとの関連を解析する。

選択的スプライシングモジュールを切り替えて「蛋白質の相互作用を変化させる」
蛋白質ネットワークのパスを切り替える＜今後の課題＞
・シミュレーションによる相互作用の予測

モジュールのシャッフリングによるタンパク質の発現

Diplonema papilaltum (原生動物)のミトコンドリアcoxIの遺伝子は、断片化（gene module）されて、異なる染色体にコードされている。
ばらばらに転写されたmRNAが未知の機構で融合し、coxIのmRNAになる。
現存のモジュールシャッフリングか？

由良敬（原研）作成

タンパク質は３次元構造を形成して機能するタンパク質を構成する原子の厳格な空間配置によって、生体内化学反応触媒、シグナル伝達、細胞骨格形成などが可能となる。
全タンパク質の３次元構造によって、分子の集合体としての生物がはじめて俯瞰できる。

clamp loader(pentamer)clamp(trimer)

clamp and clamp loader complex (octamer):
The clamp loader load the clamp to DNA
for DNA replication.

John Kendrew and myoglobin model in
1957

Ｘ線または核磁気共鳴による全タンパク質の立体構造決定は時間とコストを考えると現実的ではない。全タンパク質の動的構造を実験的に測定することはさらに困難。
３次元構造（動的構造を含む）の俯瞰は、計算生物学と構造生物学の協力により達成される目標

ENIAC in 1953

由良敬（原研）作成

ゲノム塩基配列読み取り後の計算生物学

情報生物学
構造生物学
動構造生物学（実行時にたくさんの情報が同時に必要）

メモリ容量・実行回数

ゲノム塩基配列からの遺伝子発見
酵素反応・電子伝達シミュレーション（QM/MM)
単粒子観測２次元像からの３次元像再構成
超分子動力学
タンパク質間相互作用予測
ホモロジーモデリング
タンパク質立体構造予測

生
ちい学
物か者

たらみい思

リガンド結合予測タンパク質安定性予測
計算速度（実行時間が長い）

由良敬（原研）作成

ゲノム塩基配列からの遺伝子発見
すべての遺伝子（タンパク質をコードしている部分）をいまだに見つけ出していない。

ヒトの染色体ヒトＤＮＡの一部
300個の新しい遺伝子をスパコンで読み出すことに成功した (Siepel, A., et al., (2007) Genome Res.)

Lander, E.S. et al. (2001)
Initial sequencing andanalysis of the humangenome. Nature 409: 860921.

・さまざまな遺伝子予測アルゴリズムを適用（文字列解析）・ヒト、ネズミ、ラット、ニワトリのゲノム塩基配列を大規模に比較（３０億文字×３０億文字の類似部分検索）

約30億文字Cornell Univ. Center for Advanced Computing（850 nodes:Dual Processor 2.4GHz P4 Xeon）
http://www.news.cornell.edu/stories/Nov07/Siepel.newgenes.ws.html

宝の持ち腐れ状態
由良敬（原研）作成

単粒子観測２次元像からの３次元像再構成
細胞内の分子は相互作用して巨大分子を形成している巨大分子の立体構造は電子顕微鏡により測定する
28nm

電子顕微鏡による氷埋
生体分子構造の測定データ

スプライセオソーム(タンパク質約６０個とRNA５個の超分子複合体）

Azubel, M. et al. (2004) MolecularCell, 15, 833-839.

たくさん集めることで一方向からの像ができる画像の切り出し（画像認識）

２次元画像の分類（画像の比較分類とS/N比の向上）

岩崎憲治 (2005) 2, BIONICS.

トモグラフィー
（再構成）

記憶容量と計算パワーが要求される可視化

由良敬（原研）作成

分子動力学シミュレーションの規模の発展
生物学にインパクトを与えてきた分子動力学シミュレーションの例
1千万1.E+07フラジェラ

原子数（溶媒込み）

リボソーム

1.E+06F1ATPase

タバコモザイクウイルス

脂質二重膜

1.E+05
アセチルコリンレセプタ
HIVプロテアーゼ

1.E+04
BPTI

1.E+03
BPTI

1.E+02
1.E+01
1.E+00
1975

1980

1985

1990

年

1995

2000

・2万原子（ＨＩＶプロテアーゼ） Harte, W.E., et al. Proteins, 13:175 (1992).
・2万原子（アセチルコリンレセプタ） Axelsen, P.H, et al. Protein Sci., 3:188 (1994).
・33万原子（Ｆ１ＡＴＰアーゼ）Phillips, J. et al., SC2002 (2002).
・42万原子（細胞二重膜） Tieleman, D.P. BMC Biochem., 5:10 (2004).
・107万原子（タバコモザイクウイルス） Freddolino, P., et al. Strucrure, 14:437 (2006).
・238万原子（べん毛蛋白質フラジェリン） Kitao, A., et al. PNAS, 103:4894 (2006).
・264万原子（リボソームとtRNA） Sanbonmatsu, K.Y., et al. PNAS, 102:15854 (2005).

2005

2010

Sanbonmatsu & Tung (2007)を改変

由良敬（原研）作成

原子数が1千万個を越える分子動力学シミュレーション

セントラルドグマの分子機構を「スパコン顕微鏡」でみる翻訳サイクル：リボソーム

複製装置：ＤＮＡポリメラーゼ

転写装置：RNAポリメラーゼ

真核生物の転写開始準備（クロマチン構造の開閉）

mRNAの成熟過程
スプライセオソーム
Molecular Biology of the Gene
Agrawal, R.K. (2000) JCB, 150: 447-459.

正確な大規模長時間シミュレーションの実現が必須

由良敬（原研）作成

立体構造モデリングから機能シミュレーションへスーパーコンピュータによるシミュレーション・ワールド• 立体構造モデリングから機能シミュレーションまで( 北尾彰朗）• シミュレーション
見えない生命分子活動を見せる顕微鏡である。
・ スーパーコンピュータ
生物機能を高分解能で解明するための最高の手段
機能＝分子＋時間＋空間
function = molecule + time + space （MTS)高田彰二氏（京大）の挑戦

タンパク質分子がいかにして細胞内で生体分子機械として働くことができるのか、その巧妙なしくみを理論的にコンピュータを駆使して理解することを目指している。
http://theory.biophys.kyoto-u.ac.jp/ja/より

生体分子機械（分子モーター）は熱ゆらぎとそれほど違わない駆動力で高効率に動く
化学エネルギー⇒力学的エネルギー

ATP
約20kT
ADP

生体分子機械

F1‐ATPase

エネルギー効率は、ほぼ100％？？

化学エネルギーモーター
プリウス 33％（電気）モーター 90％程度

ATP合成酵素
膜のプロトン濃度差（電位差）外側

ポール ボイヤー
ミトコンドリア内膜
内側F0

γ シャフトの回転
F1
ATP の合成
ADP ＋ Pi → ATP“回転説”によりノーベル化学賞
受賞

tightcontacts βDP

F1 ATPase の3次元構造
γααβTPβEα
ジョンウォーカー
F1 ATPaseの構造機能解明
ノーベル化学賞受賞一分子で働く回転分子モーター F1 ATPase

野地ら
一分子実験

古賀、高田PNAS06
シミュレーション

F1 ATPaseのムービー

シミュレーションの予測を実験によって実証
シミュレーションPNAS (2006 ) Ｋｏｇａ ＆ Ｔａｋａｄａ
化学ー力学共役の仕組みを予測
実験
Ｃｅｌｌ (2007) Adachi, Oiwa, Nishizaka,Furuike, Noji, Itoh, Yoshida, Kinosita Jr.,
シミュレーション予測を実証生物時計
コンフォメーション変化が時計機能を刻む• 時計分子が存在する• らん藻の２４時間周期はKaiCのリン酸化に（よるコンフォメーション変化に）由来• 近藤孝男教授グループ（名大）の画期的な研究成果
Nature St. Mol. Biol. 2007,
EMBO J. 2007,
PNAS 2007

スーパーコンピュータによるシミュレーション・ワールド• 立体構造モデリングから機能シミュレーションまで( 北尾彰朗）• シミュレーション
見えない生命分子活動を見せる顕微鏡である。
・ スーパーコンピュータ
生物機能を高分解能で解明するための最高の手段
機能＝分子＋時間＋空間
function = molecule + time + space （MTS)細菌べん毛繊維・フックの構造多型原理解明•細菌べん毛繊維
2.38x106 atom,20-ns MD(Kitao et al, PNAS 2006)•細菌べん毛フック~2.0x106 atom,3-ns MD(Furuta et al, J Struct Biol 2007)
サブユニット間のギャップを伸縮することで大きな構造変化を許容する•パーマネント相互作用
サブユニット間を固定•スライディング相互作用
サブユニット間のずれを低エネルギーで可能にする•スイッチ相互作用
２状態のスイッチ（塩橋）•スライディング相互作用•ドメイン間のヒンジベンディング
北尾彰朗氏（東大分生研）提供

T4ファージ感染の最初期過程の観察•gp5 の脂質２重膜貫通MDシミュレーショ
ン

先端部位
gp5の３量体

βへリックスやリゾチー
ムドメインが外膜を貫通する詳細な過程を観察北尾彰朗氏（東大分生研）提供

超並列計算に適したシミュレーション法開発
通信量を減らし高効率化する高度なシミュレーション•多分解能レプリカ交換法•分散サンプリング法
粗視化モデルで多数の初期条件詳細モデルで完全に独立な大量のシミュレーション
計算結果の接続

空間的粗視化モデル（アミノ酸1残基を１～4粒子＋溶媒粗視化）

レプリカ交換例： 分散JAMサンプリング法
粗視化モデルでエネルギー面の概形を予測↓
原子モデルでアンブレラサンプリング↓
WHAM↓
自由エネルギー地形の決定

情報的粗視化モデル（溶媒を粗視化）＋
レプリカ交換T4リゾチームのOpen－Close転移と自由エネルギー面
詳細モデル（原子レベル・露に溶媒）北尾彰朗氏（東大分生研）提供

蛋白質複合体の構造予測•

蛋白質―蛋白質・蛋白質－
低分子化合物のドッキング
実験的に構造決定が難しい「弱い」相互作用の複合体構造も予測したい
結合時の構造変化・構造化も考慮する•

多数の蛋白質に関して立体構造モデリングから機能シミュレーションまでを行う
ある相互作用ネットワークに関わる全複合体群を予測北尾彰朗氏（東大分生研）提供

計算生命科学は総合生命科学
若手の活躍が必須
物理学
生物学

数学

情報学

計算生命科学工学

医学 薬学

化学
農学

謝辞
由良 敬 （原子力研究所）
高田彰二 （京大理学研究科）
北尾彰朗 （東大分生研）